有序流高能效热泵热水系统

技术领域

本发明属于热力工程技术领域，具体涉及一种有序化组织流体流态，实现高能效比的空气源热泵热水系统技术。

背景技术

随着热泵技术的逐渐成熟，现已有多家厂商推出了应用空气源热泵技术的热水机，气态工质被压缩机压缩为高温、高压气体后进入冷凝器，在冷凝器中与水进行热交换。气态工质放出热量冷凝为液态，水获得热量水温升高。液态工质随后经节流装置节流膨胀为低温、低压液体，该液体工质接着在蒸发器中与空气换热，吸收热量成为低温、低压气态工质，再次进入压缩机......如此不断循环，实现了对水的加热。

在这循环加热过程中，消耗1份的电能可从环境空气中吸收转移约3～4份的热量到水中，制热COP约为4.0～5.0。因此，相对于COP值约为0.95的电热水器，或COP值约为0.85的燃气热水器，空气源热泵热水机的节能优势明显。

现有的空气源热泵热水系统主体由空气源热泵热水机、水箱、循环泵和供水泵组成。先将水箱注满冷水，循环泵将冷水送入热水机，加热后送回水箱，每一循环升温3～5℃，以此往复，水箱内水温逐渐升高，直至达到目标温度，再通过供水泵向用户供应热水，当水位低于下线值后，向水箱补水。

常规的空气源热泵热水系统设置有1个水箱，通常补水口设于水箱上方，热水机的回水口和取水口分别设于中部和下部，用户供水口设置于下部，如附图2所示。这种热水系统存在的问题是：补水口进入水箱的低温水，将水箱内原高品位的高温水混合成了中温水，降低了用户供水的温度，影响用户舒适度，同时，热水机长期工作在中高温水段，系统整体的COP值较低。

为了解决上述问题，有厂家提出了双水箱和承压多水箱的方案，虽然改善了用户舒适度，但投资成本增加较多，系统整体COP值仍未达到最佳状态。

发明内容

本发明提出了一种有序流高能效热泵热水系统，利用单水箱及其内置的特殊组件，有序组织进出水箱流体的流态，在系统运行过程中，使水箱从上至下始终保持合理的温度分区，即上层为目标温度的高温层，中部为过渡温层，下部为低温层，有效解决了上述问题，在保证用户舒适度的同时，热水机全程工作在最高效率阶段，系统COP值得到有效提高。

本发明所述有序流高能效热泵热水系统由控制器1、水箱2、供水泵3、热泵热水机4、循环泵5和配套管路及仪表设备组成。水箱2内部设置有悬浮取水组件6、第一温控升降布液组件7、补水布液组件8、第二温控升降布液组件9和水位开关10，水箱2壁面设置有供水口21、热水机回水口22、测温管23、热水机取水口24、用户回水口25。

附图说明

图1为本发明所述有序流高能效热泵热水系统的整体示意图；

图2为常规单水箱热泵热水系统示意图；

以上附图中序号所示名称为：1-控制器，2-水箱，3-供水泵，4-热泵热水机，5-循环泵，6-悬浮取水组件，7-第一温控升降布液组件，8-补水布液组件，9-第二温控升降布液组件，10-水位开关，11-补水管路，12-补水电控阀，21-供水口，22-热水机回水口，23-测温管，24-热水机取水口，25-用户回水口，31-用户供水管路，32-用户回水管路，33-压力传感器，41-热水机回水管路，42-热水机取水管路，51-溢水口，52-排污口。

具体实施方式

结合附图1，本发明所述有序流高能效热泵热水系统的具体实施方式说明如下：

图1表明了本发明所述有序流高能效热泵热水系统由控制器1、水箱2、供水泵3、热泵热水机4、循环泵5和配套管路及仪表设备组成。水箱2内部设置有悬浮取水组件6、第一温控升降布液组件7、补水布液组件8、第二温控升降布液组件9和水位开关10，水箱2壁面设置有供水口21、热水机回水口22、测温管23、热水机取水口24、用户回水口25。

控制器1包括各传感器、连接水泵及阀门的控制电路。

水箱2内部设置说明如下：

水箱2内部设置的悬浮取水组件6设置有浮球和取水口，组件利用浮球浮力悬浮于水面，并通过穿心轴限位，随水位升降而浮动，其取水口始终位于水面以下一定距离，优选距离为100～150mm，取水口呈水平圆周分布，下端通过软管与供水口21连通。

水箱2内部设置的第一温控升降布液组件7设置有温度传感器和浮球，上端连接有位于水箱2顶部的升降驱动机构，其布液口呈水平圆周分布，下端通过软管与热水机回水口22连通。

水箱2内部设置的补水布液组件8位于水箱2底部中心，其布液口呈水平圆周分布，其接管穿出箱体，通过补水电控阀12和补水管路11与补水管网连通。

水箱2内部设置的第二温控升降布液组件9设置有温度传感器和浮球，上端连接有位于水箱2顶部的升降驱动机构，其布液口呈水平圆周分布，下端通过软管与用户回水口25连通。

水箱2内部设置的水位开关10，向控制器1提供水位开关信号，通过控制补水电控阀12，保证箱内水位始终处于设定范围。

水箱2外部连接说明如下：

供水口21通过供水泵3和用户供水管路31与用户管网连通，用户管网末端通过用户回水管路32与用户回水口25连通，使热水形成环路，以减小因管网散热损失导致的水温下降，用户管网末端还设置有压力传感器33，可以保证用户供水压力恒定在设定范围，为用户持续提供高品位热水，提高用户舒适度。

热水机回水口22通过热水机回水管路41与热泵热水机4的出水口连通；

热水机取水口24通过循环泵5和热水机取水管路42与热泵热水机4的入水口连通；

位于水箱2中下部的测温管23内放置有热泵热水机4的温度探头。

另外，水箱2还设置有溢水口51及排污口52。

本发明所述有序流高能效热泵热水系统的工作过程说明如下：

首先，通过控制器1控制补水电控阀12，向水箱2内补水至高水位F1，然后启动热泵热水机4和循环泵5，抽取水箱2底部的水进行加热，当水箱内整体水温升至设定温度T1时，关闭热泵热水机4和循环泵5，启动供水泵3向用户提供热水。当水箱2内水位降至F2时，控制器1依据水位开关10提供的信号，开启补水电控阀12进行补水至设定水位F3后关闭，使箱内水位始终处于设定范围，保证用户用水。上述水位关系为F1≥F3＞F2，F2为保证热水机运行最低水位，F3为保证下一时段用水量的最低水位，设定温度T1＞自来水温度。

本发明所述有序流高能效热泵热水系统，利用单水箱及其内置的特殊组件，有序组织水箱内流体的流态，在同一水箱内的上下区域形成相对稳定的高低温层，实现了在向用户提供持续高品位热水的同时，热水机也全程工作在高COP阶段。具体说明如下：

初始加热时，第一温控升降布液组件7位于水体最上部，加热后的热水沿呈水平圆周分布的布液口水平布出，水分布于水体最上部，避免了箱内水体的上下扰动，减少了水体的对流传热。

随着加热的循环进行，水箱2底部的低温水不断被加热后送至水体上部。由于水自身的导热系数不高，常压下20℃为0.6W/(m·K)，55℃也仅为0.65W/(m·K)左右，水体上部为高温层，下部为低温层，只在两者界面处形成具有温度梯度的过渡温层，对上下高、低温层起隔离作用。此过渡温层的层高由高、低温层温差及传热时长决定，位置由高、低温层水量决定。

悬浮取水组件6在工作过程中，始终悬浮于水面，其取水口呈水平圆周分布，水沿水平圆周进流，避免对水体产生上下扰动。

第一温控升降布液组件7、补水布液组件8和第二温控升降布液组件9的布液口均为水平圆周分布，水沿水平圆周扩散出流，避免对水体产生上下扰动。

控制器1通过控制第一温控升降布液组件7上端连接的升降驱动机构，使第一温控升降布液组件7的布液口始终悬停在与热水机回水温度相同的同温水层，避免破坏温度梯度造成对流传热。

控制器1通过控制第二温控升降布液组件9上端连接的升降驱动机构，使第二温控升降布液组件9的布液口始终悬停在与用户回水温度相同的同温水层，避免破坏温度梯度造成对流传热。

基于上述说明，在系统运行过程中，通过有序组织进出水箱流体的流态，在同一水箱内的上下区域形成相对稳定的高低温水层，向用户提供热水的始终为相对上部的高温水层，热泵热水机4抽取的始终为下部的较低温水。当进出水温差相同时，热泵热水机的COP值随进水温度的升高而降低，此有序流热泵热水系统使热泵始终工作在相对低温段，系统COP值提高到理想状态。

第一温控升降布液组件7和第二温控升降布液组件9设置浮球以抵消部分重量，减小其驱动机构的负荷。

本发明所述有序流高能效热泵热水系统采用了单水箱，其内置组件也结构简单，重量轻，成本低，整体投资成本不高，系统整体能效比高，用户舒适度高，具有很高的推广应用价值。

以上所述为本专利的应用示例，并不因此限定专利范围，凡利用本专利内容所作的等效变换，或直接或间接运用在相关的技术领域均应包括在本专利保护范围内。